電力晶體管和晶閘管

第一章：電力二極管和晶閘管第一節(jié)電力二極管第二節(jié)晶閘管第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管本章小節(jié)1第一章電力二極管和晶閘管電力二極管是指可以承受高電壓大電流具有較大耗散功率的二極管，它與其它電力電子部件相配合組成各種變流電路，在整流、續(xù)流、鉗位以及隔離等場(chǎng)合發(fā)揮重要作用。晶閘管是晶體閘流管的簡(jiǎn)稱，曾稱為可控硅〔SCR〕。晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等特點(diǎn)。晶閘管的派生器件有：雙向晶閘管、可關(guān)斷晶閘管、快速晶閘管、逆導(dǎo)晶閘管及光控晶閘管等。2第一節(jié)電力二極管1、結(jié)構(gòu)電力二極管有一個(gè)結(jié)面積大一些的PN結(jié)，兩個(gè)引出級(jí)：陽(yáng)極A和陰極K。外形結(jié)構(gòu)有螺旋式和平板式。螺旋式二極管的陽(yáng)極緊栓在散熱器上，平板式二極管分為風(fēng)冷和水冷，它的陽(yáng)極和陰極分別由兩個(gè)彼此絕緣的散熱器緊緊夾住。一、結(jié)構(gòu)與伏安特性3電力二極管外形圖PN結(jié)與符號(hào)4螺栓型實(shí)物圖5電力二極管的陽(yáng)極與陰極間的電壓和流過(guò)管子的電流之間的關(guān)系。2.伏安特性6二、主要參數(shù)1、正向平均電流〔額定電流〕IF在規(guī)定的環(huán)境溫度為40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件PN結(jié)溫度穩(wěn)定且不超過(guò)140℃時(shí)，所允許的長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)流過(guò)50Hz正弦半波的電流平均值，將此電流值取規(guī)定系列的電流等級(jí)，即為元件的額定電流。2、反向重復(fù)峰值電壓URRM在額定結(jié)溫條件下，取元件反向伏安特性不重復(fù)峰值電壓值URSM的80%稱為反向重復(fù)峰值電壓。將URRM值取規(guī)定的電壓等級(jí)就是該元件的額定電壓。73、正向平均電壓UF在規(guī)定環(huán)境溫度40℃和標(biāo)準(zhǔn)散熱條件下，元件通過(guò)50Hz正弦半波額定正向平均電流時(shí)，元件陽(yáng)極和陰極之間的電壓平均值，取規(guī)定系列組別，稱為正向平均電壓，簡(jiǎn)稱管壓降，一般在0.45~1V范圍內(nèi)。8三、選擇原那么1、選擇額定正向平均電流的原那么在規(guī)定的室溫和冷卻條件下，〔管子額定電流有效值〕>〔管子在電路中可能流過(guò)的最大電流有效值〕?？紤]1.5~2倍裕量，另外，正弦半波電流有效值是平均值的1.57倍，所以2、選擇額定電壓的原那么93、電力二極管使用本卷須知〔1〕必須保證規(guī)定的冷卻條件?！?〕平板型元件的散熱器一般不應(yīng)自行拆裝?！?〕如不能滿足規(guī)定的冷卻條件，必須降低容量使用，如規(guī)定風(fēng)冷元件使用在自冷時(shí)，只允許用到額定電流的三分之一左右?！?〕嚴(yán)禁用兆歐表檢查元件的絕緣情況。如需檢查整機(jī)的耐壓時(shí)，應(yīng)將原件短接。104．電力二極管的主要類型3．電力二極管的主要參數(shù)〔1〕普通二極管〔GeneralPurposeDiode〕又稱整流二極管〔RectifierDiode〕多用于開(kāi)關(guān)頻率不高〔1kHz以下〕的整流電路其反向恢復(fù)時(shí)間較長(zhǎng)正向電流定額和反向電壓定額可以到達(dá)很高〔2〕快恢復(fù)二極管〔FastRecoveryDiode——FRD〕簡(jiǎn)稱快速二極管。從性能上可分為快速恢復(fù)和超快速恢復(fù)兩個(gè)等級(jí)。前者trr為數(shù)百納秒或更長(zhǎng)，后者那么在100ns以下，甚至到達(dá)20-30ns。四、電力二極管的主要類型11〔3〕肖特基二極管(DATASHEET)以金屬和半導(dǎo)體接觸形成的勢(shì)壘為根底的二極管稱為肖特基勢(shì)壘二極管〔SchottkyBarrierDiode——SBD〕肖特基二極管的弱點(diǎn)反向耐壓提高時(shí)正向壓降會(huì)提高，多用于200V以下；反向穩(wěn)態(tài)損耗不能忽略，必須嚴(yán)格地限制其工作溫度；肖特基二極管的優(yōu)點(diǎn)反向恢復(fù)時(shí)間很短〔10~40ns〕；正向恢復(fù)過(guò)程中也不會(huì)有明顯的電壓過(guò)沖;反向耐壓較低時(shí)其正向壓降明顯低于快恢復(fù)二極管；效率高，其開(kāi)關(guān)損耗和正向?qū)〒p耗都比快速二極管還小。12第二節(jié)晶閘管

晶閘管(Thyristor)就是硅晶體閘流管，普通晶閘管也稱為可控硅SCR，普通晶閘管是一種具有開(kāi)關(guān)作用的大功率半導(dǎo)體器件。從1957年美國(guó)研制出第一只普通晶閘管以來(lái)，至今已形成了從低壓小電流到高壓大電流的系列產(chǎn)品；晶閘管作為大功率的半導(dǎo)體器件，只需用幾十至幾百毫安的電流，就可以控制幾百至幾千安培的大電流，實(shí)現(xiàn)了弱電對(duì)強(qiáng)電的控制；

晶閘管具有體積小、重量輕、損耗小、控制特性好等優(yōu)點(diǎn)，曾經(jīng)在許多領(lǐng)域中得到了廣泛的應(yīng)用。

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一、晶閘管的結(jié)構(gòu)晶閘管的常見(jiàn)封裝外形有螺栓型、平板型、塑封型；晶閘管具有四層PNPN結(jié)構(gòu)，引出陽(yáng)極A、陰極K和門極G三個(gè)聯(lián)接端；晶閘管對(duì)于螺栓型封裝，通常螺栓是其陽(yáng)極，能與散熱器緊密聯(lián)接且安裝方便；平板型封裝的晶閘管可由兩個(gè)散熱器將其夾在中間。圖1-2晶閘管的外形、結(jié)構(gòu)和電氣圖形符號(hào)A)外形B)結(jié)構(gòu)C)電氣圖形符號(hào)GABC14晶閘管的管耗和散熱：管耗＝流過(guò)器件的電流×器件兩端的電壓

管耗將產(chǎn)生熱量，使管芯溫度升高。如果超過(guò)允許值，將損壞器件，所以必須進(jìn)行散熱和冷卻。

冷卻方式：自然冷卻〔散熱片〕、風(fēng)冷〔風(fēng)扇〕、水冷15散熱器16螺栓型晶閘管晶閘管模塊平板型晶閘管外形及結(jié)構(gòu)常用晶閘管的結(jié)構(gòu)17二、晶閘管的導(dǎo)通和關(guān)斷條件〔簡(jiǎn)單描述〕晶閘管SCR相當(dāng)于一個(gè)半可控的、可開(kāi)不可關(guān)的單向開(kāi)關(guān)。圖1-3晶閘管的工作條件的試驗(yàn)電路18晶閘管導(dǎo)通關(guān)斷實(shí)驗(yàn) AG KEgSEAR動(dòng)畫(huà)演示19 AG KEgSEAR門極加負(fù)電壓20門極加正電壓 AG KEgSEARIgIA21導(dǎo)通后撤除門極電壓 AG KEgSEARIA22導(dǎo)通后門極加負(fù)電壓 AG KEgSEARIA23導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電流 AG KEgSEAnRIA24 AG KEgSEAnR導(dǎo)通后減小陽(yáng)極電壓或去除陽(yáng)極電壓25 AG KEgSEAR導(dǎo)通后陽(yáng)極加反壓26〔解釋〕當(dāng)SCR的陽(yáng)極和陰極電壓UAK<0，即EA下正上負(fù)，無(wú)論門極G加什么電壓，SCR始終處于關(guān)斷狀態(tài)；UAK>0時(shí)，且EGk>0，SCR才能導(dǎo)通。SCR一旦導(dǎo)通，門極G將失去控制作用，即無(wú)論EG如何，均保持導(dǎo)通狀態(tài)。SCR導(dǎo)通后的管壓降為1V左右，主電路中的電流I由R和RW以及EA的大小決定；當(dāng)UAK<0時(shí)，無(wú)論SCR原來(lái)的狀態(tài)，都會(huì)使R熄滅，即此時(shí)SCR關(guān)斷。其實(shí)，在I逐漸降低〔通過(guò)調(diào)整RW〕至某一個(gè)小數(shù)值時(shí)，剛剛能夠維持SCR導(dǎo)通。如果繼續(xù)降低I，那么SCR同樣會(huì)關(guān)斷。該小電流稱為SCR的維持電流。導(dǎo)通和關(guān)斷條件27從實(shí)驗(yàn)結(jié)果我們可以如下結(jié)論：1．晶閘管導(dǎo)通的條件：陽(yáng)極加正向電壓，同時(shí)門極加適宜的正向觸發(fā)電壓。晶閘管關(guān)斷的條件：使流過(guò)晶閘管的陽(yáng)極電流小于維持電流或突加反向電壓。2．晶閘管具有單向?qū)щ娦?．晶閘管屬于半控型半導(dǎo)體器件，門極可以觸發(fā)導(dǎo)通晶閘管，但是不能使其關(guān)斷28圖1-4晶閘管的雙晶體管模型及其工作原理a)雙晶體管模型b)工作原理三、晶閘管的工作原理分析〔具體描述〕如果IG(門極電流)注入V2基極，V2導(dǎo)通，產(chǎn)生IC2〔β2IG〕。它同時(shí)為V1的基極電流，使V1導(dǎo)通，且IC1=β1IC2,IC1加上IG進(jìn)一步加大V2的基極電流，從而形成強(qiáng)烈的正反響，使V1V2很快進(jìn)入完全飽和狀態(tài)。此時(shí)SCR飽和導(dǎo)通，通過(guò)SCR的電流由R確定為EA/R。UAK之間的壓降相當(dāng)于一個(gè)PN結(jié)加一個(gè)三極管的飽和壓降約為1V。此時(shí)，將IG調(diào)整為0，即UGK<0，也不能解除正反響，G極失去控制作用。在分析SCR的工作原理時(shí)，常將其等效為兩個(gè)晶體管V1和V2連接而成。此時(shí)，其工作過(guò)程如下：UGK>0→產(chǎn)生IG→V2通→產(chǎn)生IC2→V1通→IC1↗→IC2↗→出現(xiàn)強(qiáng)烈的正反響，G極失去控制作用，V1和V2完全飽和，SCR飽和導(dǎo)通。29晶閘管的陽(yáng)極與陰極間的電壓和陽(yáng)極電流之間的關(guān)系，稱為陽(yáng)極伏安特性。〔見(jiàn)圖1-5〕四、晶閘管的陽(yáng)極伏安特性IG

=0圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IGUAIAIG1IG2正向?qū)?gt;>UBO正向特性反向特性雪崩擊穿301)正向特性IG=0時(shí)，器件兩端施加正向電壓，正向阻斷狀態(tài)，只有很小的正向漏電流流過(guò)，正向電壓超過(guò)臨界極限即正向轉(zhuǎn)折電壓Ubo，那么漏電流急劇增大，器件開(kāi)通。隨著門極電流幅值的增大，正向轉(zhuǎn)折電壓降低。圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG四、晶閘管的陽(yáng)極伏安特性311)正向特性導(dǎo)通后的晶閘管特性和二極管的正向特性相仿。導(dǎo)通期間，如果門極電流為零，將陽(yáng)極電流降至接近于零的某一數(shù)值IH以下，那么晶閘管又回到正向阻斷狀態(tài)。IH稱為維持電流。圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG四、晶閘管的陽(yáng)極伏安特性322)反向特性晶閘管上施加反向電壓時(shí)，伏安特性類似二極管的反向特性。晶閘管處于反向阻斷狀態(tài)時(shí)，只有極小的反相漏電流流過(guò)。當(dāng)反向電壓超過(guò)一定限度，到反向擊穿電壓后，外電路如無(wú)限制措施，那么反向漏電流急劇增加，導(dǎo)致晶閘管發(fā)熱損壞。四、晶閘管的陽(yáng)極伏安特性圖1-5晶閘管的伏安特性IG2>IG1>IG331.額定電壓〔UTn〕1)

正向斷態(tài)重復(fù)峰值電壓UDRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的正向峰值電壓。2)

反向阻斷重復(fù)峰值電壓URRM——在門極斷路而結(jié)溫為額定值時(shí)，允許重復(fù)加在器件上的反向峰值電壓。通常取晶閘管的UDRM和URRM中較小的標(biāo)值作為該器件的額定電壓。五、晶閘管的主要參數(shù)34選用時(shí)，額定電壓要留有一定裕量,一般取額定電壓為正常工作時(shí)晶閘管所承受峰值電壓UTM2~3倍：UTn＝〔２～３〕UTM35舉例：一晶閘管用于相電壓為220V的單相電路中時(shí)，器件的電壓等級(jí)選擇如下：

考慮到既能滿足耐壓要求，又較經(jīng)濟(jì)取系列值：

362.額定電流〔通態(tài)平均電流〕IT(AV)定義：在環(huán)境溫度為40度和規(guī)定的散熱條件下，晶閘管在電阻性負(fù)載時(shí)的單相、工頻〔50Hz〕、正弦半波〔導(dǎo)通角不小于170度〕的電路中，結(jié)溫穩(wěn)定在額定值125度時(shí)所允許的通態(tài)平均電流。注意：由于晶閘管較多用于可控整流電路，而整流電路往往按電流平均值來(lái)計(jì)算，它是以電流的平均值而非有效值作為它的電流定額。37晶閘管的通態(tài)平均電流IT(AV)和正弦半波電流最大值Im之間的關(guān)系表示為：

正弦半波電流的有效值為：

平均電流IT(AV)與有效值關(guān)系為：

38流過(guò)晶閘管的電流波形不同時(shí)，其電流有效值也不同，以上比值也不同。實(shí)際應(yīng)用中，應(yīng)根據(jù)電流有效值相同的原那么進(jìn)行換算，并且在選用晶閘管時(shí)，電流電流參數(shù)還應(yīng)取(1.5～2)倍的平安裕量，即式中IT是流過(guò)晶閘管中可能出現(xiàn)的最大電流有效值39有一晶閘管的電流額定值IT〔AV〕=100A，用于電路中流過(guò)的電流波形如下圖，允許流過(guò)的電流峰值IM=？分析：I〔TAV〕=100A的晶閘管對(duì)應(yīng)的電流有效值為：IT=1.57×I〔TAV〕＝157A；波形對(duì)應(yīng)的電流有效值：

考慮2倍的平安裕量后得：

舉例：40晶閘管的型號(hào)3通態(tài)平均電壓UT(AV)：當(dāng)晶閘管中流過(guò)額定電流并到達(dá)穩(wěn)定的額定結(jié)溫時(shí)，陽(yáng)極與陰極之間電壓降的平均值，稱為通態(tài)平均電壓。通態(tài)平均電壓UT(AV)分為A～Ｉ，對(duì)應(yīng)為0.4V～1.2V共九個(gè)組別。411)

維持電流IH：使晶閘管維持導(dǎo)通所必需的最小電流一般為幾十到幾百毫安，與結(jié)溫有關(guān)，結(jié)溫越高，那么IH越小2)

擎住電流IL：晶閘管剛從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)并移除觸發(fā)信號(hào)后，能維持導(dǎo)通所需的最小電流。對(duì)同一晶閘管來(lái)說(shuō)，通常IL約為IH的2~4倍。4.其他參數(shù)423)斷態(tài)電壓臨界上升率du／dt：在額定結(jié)溫和門極開(kāi)路情況下，不使元件從斷態(tài)到通態(tài)轉(zhuǎn)換的最大陽(yáng)極電壓上升率稱為斷態(tài)電壓臨界上升率。4〕通態(tài)電流臨界上升率di／dt：在規(guī)定條件下，晶閘管在門極觸發(fā)開(kāi)通時(shí)所能承受不導(dǎo)致?lián)p壞的通態(tài)電流最大上升率稱為通態(tài)電流臨界上升率。43六、晶閘管門極伏安特性及主要參數(shù)1、門極伏安特性

指門極電壓與電流的關(guān)系，晶閘管的門極和陰極之間只有一個(gè)PN結(jié)，所以電壓與電流的關(guān)系和普通二極管的伏安特性相似。門極伏安特性曲線可通過(guò)實(shí)驗(yàn)畫(huà)出，如圖1-6所示。442、門極幾個(gè)主要參數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)1〕門極不觸發(fā)電壓UGD和門極不觸發(fā)電流IGD：不能使晶閘管從斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)的最大門極電壓稱為門極不觸發(fā)電壓UGD，相應(yīng)的最大電流稱為門極不觸發(fā)電流IGD。２〕門極觸發(fā)電壓UGT和門極觸發(fā)電流IGT在室溫下，對(duì)晶閘管加上６V正向陽(yáng)極電壓時(shí)，使元件由斷態(tài)轉(zhuǎn)入通態(tài)所必須的最小門極電流稱為門極觸發(fā)電流IGT，相應(yīng)的門極電壓稱為門極觸發(fā)電壓UGT。３〕門極正向峰值電壓UGM、門極正向峰值電流IGM和門極峰值功率PGM45

一、雙向晶閘管1.雙向晶閘管的外形與結(jié)構(gòu)雙向晶閘管的外形與普通晶閘管類似，有塑封式、螺栓式和平板式。但其內(nèi)部是一種NPNPN五層結(jié)構(gòu)引出三個(gè)端線的器件。如圖1-7所示。第三節(jié)雙向晶閘管及其他派生晶閘管圖1-7雙向晶閘管

46雙向晶閘管引腳圖472.雙向晶閘管的特性與參數(shù)雙向晶閘管具有正反向?qū)ΨQ的伏安特性曲線。正向局部位于第I象限，反向局部位于第III象限。如下圖。雙向晶閘管均方根值電流與普通晶閘管平均值電流之間的換算關(guān)系式為

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雙向晶閘管正反兩個(gè)方向都能導(dǎo)通，門極加正負(fù)電壓都能觸發(fā)。主電壓與觸發(fā)電壓相互配合，可以得到四種觸發(fā)方式：Ⅰ+觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅰ-觸發(fā)方式：主極T1為正，T2為負(fù)；門極電壓G為負(fù)，T2為正。特性曲線在第Ⅰ象限。Ⅲ+觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為正，T2為負(fù)。特性曲線在第Ⅲ象限。Ⅲ-觸發(fā)方式：主極T1為負(fù)，T2為正；門極電壓G為負(fù)，T2為正。特性曲線在第Ⅲ象限。由于雙向晶閘管的內(nèi)部結(jié)構(gòu)原因，四種觸發(fā)方式中觸發(fā)靈敏度不相同，以Ⅲ+觸發(fā)方式靈敏度最低，使用時(shí)要盡量避開(kāi)，常采用的觸發(fā)方式為Ⅰ+和Ⅲ-

。3、雙向晶閘管觸發(fā)方式494.雙向晶閘管的門極控制雙向晶閘管的控制方式常用的有兩種，第一種為移相觸發(fā)，與普通晶閘管一樣，是通過(guò)控制觸發(fā)脈沖的相位來(lái)到達(dá)調(diào)壓的目的。第二種是過(guò)零觸發(fā)，適用于調(diào)功電路及無(wú)觸點(diǎn)開(kāi)關(guān)電路。本相電壓強(qiáng)觸發(fā)電路這種觸發(fā)方式電路簡(jiǎn)單、工作可靠，主要用于雙向晶閘管組成的交流開(kāi)關(guān)電路。50快速晶閘管的外形、符號(hào)、根本結(jié)構(gòu)和伏安特性與普通晶閘管相同，但它專為快速應(yīng)用而設(shè)計(jì)?？焖倬чl管的開(kāi)通與關(guān)斷時(shí)間短，允許的電流上升率高，開(kāi)關(guān)損耗小，在規(guī)定的頻率范圍內(nèi)可獲得較平直的電流波形。普通晶閘管的關(guān)斷時(shí)間為數(shù)百微秒，快速晶閘管那么為數(shù)十μs。二、快速晶閘管〔FastSwitchingThyristor——FST)51